纤维增强混凝土的研究进展

纤维增强混凝土的研究进展（哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001）摘要：随着现代混凝土技术的发展，对水泥混凝土提出了更高的要求，它正朝着高强度、高韧性、高阻裂、高耐久性、高体积稳定性和优良的工作性的方向发展。研究表明，在水泥基体中随机分布一些纤维是提高混凝土的韧性、耐冲击性、抗渗性及耐收缩断裂性的有效途径。大量实验又证明，在混凝土中加入少量的纤维，混凝土的抗压强度变化不大，而混凝土的抗弯强度、塑性收缩性能、抗渗性、抗冻性、抗冲击性、抗腐蚀性有明显提高。本文在整理相关文献基础上，介绍了纤维增强混凝土的机理、常用的增强纤维特别是聚丙烯纤维以及国内外的研究状况，分析了纤维增强混凝土目前研究存在的问题和以后的发展前景。关键词：纤维，增强混凝土，裂纹，断裂，基体，界面中国分类号文献标识码ResearchProgressofthefiber-reinforcedconcreteChenqian(HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001)Abstract:Withthedevelopmentofmodernconcretetechnology,cementconcreteneedshigherrequirements,itismovinginthedirectionofdevelopmentofhighstrength,hightoughness,highresistancebifida,highdurability,highvolumestabilityandexcellentwork.Studieshaveshownthattherandomdistributionofsomeofthefibersinthecementmatrixistoimprovethetoughnessofconcrete,impactresistance,impermeabilityandresistancetoshrinkaneffectivewayofbreaking.Alargenumberofexperimentsalsoprovedthattheadditionofasmallamountoffiberinconcrete,compressivestrengthofconcretelittlechange,theflexuralstrengthofconcrete,plasticshrinkageproperties,impermeability,frostresistance,impactresistance,corrosionresistanceimproved.onthebasisofcompilationofrelevantliterature，thepaperpresentsthemechanismoffiberreinforcedconcrete,commonlyusedreinforcingfibers,polypropylenefiber,aswellasdomesticandforeign,andtoanalyzethefiberreinforcedconcreteproblemstobesolvedandfuturedevelopmentprospects.Keywords:fiber,reinforcedconcrete,cracks,fracture,matrix,interface引言混凝土是一种多相复合材料，由于各组成材料性质的差异和施工养护的影响，混凝土内部不可避免地存在大量的微裂缝，这些裂缝的存在，影响了混凝土的性能，特别是降低了混凝土抗拉强度，这也是混凝土呈脆性破坏的主要原因。通过加入掺合料和化学外加剂实现混凝土的密实性和强度的提高，是制备高性能混凝土的主要途径。但是，混凝土的抗拉强度与抗压强度之比仅为6%作用，仍存在拉压比低、韧性差与收缩大等缺点。随着抗压强度的提高，混凝土脆性表现得愈明显。而纤维具有抑制混凝土收缩、提高混凝土抗拉强度、增加混凝土韧性的作用，能够解决高强高性能混凝土中出现的拉压比低、韧性差和收缩大的问题，也能适应现有施工水平和设备条件。因此，纤维混凝土是当今混凝土技术发展的重要趋势。1分类1.1钢纤维混凝土普通混凝土中掺入适量钢纤维配制而成的混凝土，称为钢纤维混凝土或钢纤维增强混凝土。与普通混凝土相比，其抗拉强度、抗弯强度、耐磨、耐冲击、耐疲劳、韧性、抗裂和抗爆等性能都得到很大提高。早期混凝土工程中采用的钢纤维主要品种有：用细钢丝切断生产的圆直型钢纤维，用熔抽法生产的钢纤维，用薄钢板剪切生产的平直型或扭曲型钢纤维。随着混凝土应用技术的发展，人们对钢纤维性能的认识不断深入。根据试验研究和工程应用实际情况，钢丝切断圆直型纤维与基体的粘结性能差，碳钢熔抽型纤维在高温冷却过程中表面往往会形成氧化皮，从而严重降低了纤维与基体的粘结性能。因而这几种类型的钢纤维在工程中被逐渐淘汰。相应的高强钢丝切断端钩型纤维、钢锭铣削端钩型纤维、剪切异型纤维、低合金钢熔抽型纤维，因其增强了与混凝土基体的粘结力，对混凝土的阻裂、增强、增韧的效果显著，在工程中逐渐得以广泛应用。1.2碳纤维混凝土碳纤维混凝土是将碳纤维均匀地分散在水泥基体中，用以增加混凝土的物理力学性能的一种复合材料。碳纤维混凝土的主要特征具有普通增强型混凝土所不具备的优良机械性能、防水渗透性能、耐自然温差性能，在强碱环境下具有稳定的化学性能、持久的机械强度和尺寸的稳定性[4]。用碳纤维取代钢筋，可消除钢筋混凝土的盐水降解和劣化作用，使建筑构件重量减轻，安装施工方便，缩短建筑工期。碳纤维还具有震动阻尼特性，可吸收震动波，使防震能力和抗弯强度提高十几倍。碳纤维混凝土具有很高的抗拉性、抗弯性、抗断裂性、抗蚀性等特点。由于碳纤维的较小的膨胀系数，碳纤维混凝土的耐热性较好，温度变形也较小。碳纤维混凝土中碳纤维主要作用是：阻止混凝土内部微裂缝的扩展并阻止宏观裂缝的发生及发展。因此对于其抗拉强度和主要由主拉应力控的抗剪、抗弯、抗扭强度等均有明显改善；同时具有高基体的抗变形能力，从而改善其抗拉、抗弯和冲击韧性。碳纤维体积分数为1.18%时，试件劈拉强度提高1.2%，按复合规则，碳纤维的增强作应随水泥中纤维含量的增大而增加，在碳纤维的重量百分含量小于5%时，这个关系几乎是线性的，含量再增加时，碳纤维难以在基体中分散均匀，不能起到增强效果，甚至使碳纤维混凝土抗拉强度降低。此外，碳纤维混凝土还具有良好的耐腐蚀性、抗渗透性、耐磨性、耐干缩性及耐久性。1.3玻璃纤维混凝土玻璃纤维混凝土(GRC)是将弹性模量较大的抗碱玻璃纤维，均匀地分布于水泥砂浆、普通混凝土基材中而制得的一种复合材料。近20年来，玻璃纤维混凝土在英国、美国、日本等40多个国家已开始大量应用。它将轻质、高强和高韧性优点集于一体，在建筑领域中占有独特地位。特别自20世纪90年代以来，低碱度水泥和超抗碱玻璃纤维的相继出现，把玻璃纤维混凝土技术引向新的发展阶段。由于玻璃纤维的直径仅为5～20μm，几乎与水泥的颗粒相接近，使用玻璃纤维时，所用的结合材料为水泥浆，或者在其中掺入细砂来使用，几乎不使用粒径较大的粗骨料。所以，用这种素材制作而成的复合材料，又称为增强补强水泥。采用玻璃纤维混凝土是建筑工程今后发展方向，它不仅可以弥补普通混凝土制品自重大、抗拉强度低、耐冲击性能差等不足，而且还具有普通混凝土所不具有的特性。玻璃纤维混凝土制品较薄，质量较轻。由于采用抗拉强度极高的玻璃纤维作增强材料，因而其抗拉强度很高。玻璃纤维均匀分布于混凝土中，可以防止混凝土制品的表面龟裂，由于在破坏时能大量吸收能量，因而耐冲击性能优良、抗弯强度较高[5]。此外，玻璃纤维混凝土制品脱模性好、加工方便，易做成各种形状的异型制品。1.4聚丙烯纤维混凝土聚丙烯纤维混凝土（图一）是将切成一定长度的聚丙烯纤维，均匀地分布在水泥砂浆或普通混凝土的基材中，用以增强基材的物理力学性能的一种复合材料。这种纤维混凝土具有轻质、抗拉强度高、抗冲击和抗裂性能等优点，也可以以聚丙烯纤维代替部分钢筋而降低混凝土的自重，从而增加结构的抗震能力。聚丙烯纤维混凝土是研究与应用最多的合成纤维混凝土。随结晶度不同，聚丙烯纤维的密度范围为0.87～0.95g/cm3，熔融温度107～141℃。根据纤维形状和构造不同，聚丙烯纤维可分为单丝纤维、并行的原纤化纤维束和薄膜纤维。单丝纤维有较高的长径比，并行的原纤化纤维束能方便地在水泥基体中分散，虽化学键连接有限，但机械粘结好，可使纤维受力时不被拔出。聚丙烯纤维的抗拉强度虽然比普通混凝土高，但其弹性模量却比较低，在较高应力情况下，混凝土易达到极限变形。但在掺加适量聚丙烯纤维时，这种复合材料的抗冲击性能比普通混凝土要大得多，这为荷载不高但要求耐冲击、高韧性构件的制作，找到了一条很有发展前途的路子。此外，聚丙烯纤维不锈蚀，其耐酸、耐碱性能也好。图1聚丙烯纤维和钢纤维2纤维的作用纤维混凝土是以水泥浆、砂浆或混凝土为基材，以金属纤维、无机非金属纤维、合成纤维或天然纤维为增强材料组成的复合材料。由于纤维并不改变混凝土中各种材料本身的化学性能，因而不会破坏混凝土的耐久性。纤维在增强水泥基材纤维的抗拉强度、弹性模量和提高极限延伸率等方面都远较素混凝土大，将这些纤维掺入混凝土中，不但可有效地限制水泥基体中微裂缝的扩展，还可提高混凝土强度，弥补普通混凝土的自身缺陷，延长其使用寿命，扩大其应用领域。纤维加入水泥基体中，主要有以下三方面的作用：（1）阻裂作用；混凝土内部缺陷是混凝土破坏的诱导因素，纤维加入后可阻止基体中原有缺陷（微裂缝）的扩展并有效延缓新裂纹的出现。这种阻裂作用既存在于硬化前的塑性阶段，也存在于硬化阶段。混凝土未硬化前，由于水泥基体在浇注后24h内抗拉强度较低，此时均匀分布于混凝土单位体积内较大数量的纤维，犹如存在于混凝土内的大量微细筋，它们构成均匀乱向支撑体系，不但可承受因塑形收缩引起的拉应力，还可有效地限制混凝土由于早期（塑性期和硬化初期）离析、泌水、收缩等因素形成的原生裂隙的发生和发展，减小原生裂隙的数量和尺度。混凝土硬化以后，若基体仍处于约束状态，当因周围环境温度、湿度的变化而使干缩引起的拉应力超过其抗拉强度时，也极易生成大量裂缝，在这种情况下纤维仍可阻止或减少裂缝的生成。（2）增强作用；混凝土不仅抗拉强度低，而且内部由于原材料、施工、养护和使用等方面的原因不可避免地存在很多初始缺陷。在外荷载的作用下，这些缺陷周围应力分布不均匀，成为混凝土破坏的诱导因素。当混凝土中加入适量的纤维后，在混凝土硬化过程中，均匀分布的短纤维可以起到改变混凝土内部结构、减少混凝土内部缺陷的作用。在受力过程中，纤维与基体共同承担荷载、共同发生变形，即使在基体开裂后纤维仍能继续承担荷载，从而使混凝土的抗拉强度、弯拉强度、抗剪强度和疲劳强度等有一定程度的提高。（3）增韧作用；混凝土凝固后，由于水泥与包裹水泥的纤维丝相粘连而形成乱向分布的网状增强系统，有利于限制裂缝的发展，增强混凝土的韧性。在荷载作用下，即使混凝土发生开裂，纤维还可以横跨裂缝而承受一定拉应力，使混凝土具有较高的剩余强度和极限应变。同时在混凝土受载过程中纤维还可吸收大量能量，有效减少应力集中程度，阻碍裂缝的迅速扩展，增强混凝土的抗冲击能力。研究结果表明，将纤维掺入混凝土中，不仅能提高混凝土的抗压强度、抗拉强度、抗折强度、抗剪强度和抗疲劳强度，而且还能增强混凝土的耐磨性、抗侵蚀性、抗冲击性、抗冻融性和抗渗性等耐久性能，避免构件“脆断”现象的发生。纤维在混凝土中的作用还与纤维品种、性能、纤维与混凝土界面间的豁结状况以及基体混凝土的类别和强度等级等因素密切相关，并不是所有的纤维都能同时起到以上三种作用的。3.纤维增强混凝土的机理关于纤维增强混凝土的机理,从20世纪60年代以来,学术界进行了广泛的研究,其中最具有影响力是:基于复合材料力学的混合定律和建立在断裂力学基础上的纤维间距理论。混合定律把纤维混凝土简化为一种钢纤维为一相,混凝土基体为另一相的两相复合材料,复合材料的各